偏振成像技术在强散射环境下的多参量图像表征方法研究

The strong scattering environments (dense fog & haze, heavy dust, turbid water, etc) significantly influence the quality of optical imaging. Polarimetric imaging can effectively decrease the influence of the environments on the detection effect, and thus has unique advantages for the imaging in scattering environments. However, the strong scattering environments also create special requirements and challenges to the processing method of polarization information the and the measurement precision of polarization information in polarimetric imaging. This program focuses on the strong scattering environments, to investigate the method of realizing clear imaging by fully and effectively utilizing the multidimensional polarimetric parameters. On the one hand, based on the research of the transmission characteristics of the multi-dimensional polarization parameters in strong scattering environments, we will select multiple polarimetric parameters from multidimensional polarimetric to construct the polarimetric image, and we will find the optimal function for characterizing the polarimetric image, in order to decrease the image degradation induced by the multiple scattering effect. Besides, the method of precisely measuring the polarization information will also be investigated, in order to provide precise polarimetric information for the image representation. Besides, we will build and optimize the polarimetric imaging system to perform the polarimetric imaging experiments in the strong scattering environments, in order to demonstrate the feasibility of the theory and method of imaging quality enhancement in strong scattering environments. The research of this program can effectively overcome the drawbacks of the current techniques of polarimetric imaging in the strong scattering environments, which is significant for the fields including military reconnaissance, optical remote sensing, ocean engineering and public safety, etc.

强散射环境(浓雾霾、重沙尘、浑水等)严重影响着光学成像质量。偏振成像技术可有效降低环境对成像质量的影响，对于散射环境下的成像具有独特优势。然而强散射环境对偏振成像技术中的偏振信息处理方法及偏振信息测量精度提出了特殊的要求和挑战。本项目针对强散射环境，探索最有效的测量及利用多维偏振信息实现清晰成像的新方法。一方面，基于强散射环境下多维偏振信息传输成像的理论建模和仿真，从多维偏振信息中选取多个偏振参量联合表征图像，并寻求其优化表征函数，以针对性的克服多次散射机制引起的图像退化；另一方面，研究强散射环境下微弱偏振信息的高精度测量方法，为图像表征提供准确的偏振信息。此外，搭建和优化偏振成像系统，实验验证强散射环境下偏振成像效果优化的理论和方法。该项目研究可有效克服现有偏振成像技术在强散射环境下成像质量的不足及适用范围的局限性，对于军事侦查、光学遥感、海洋工程、公共安全等多个领域均具有重要意义。

浓雾霾、重沙尘、浑水等各类强散射环境严重影响着光学成像质量和探测距离。研究新型的光学成像技术，提高强散射环境下的光学成像探测水平，对于国防、海洋、遥感、公共安全等关系国计民生的重大领域皆具有重要的意义。本项目针对强散射环境，探索最有效的测量及利用多维偏振信息实现清晰成像的新方法。研究内容包括：1）强散射环境下基于多个偏振参量的图像复原方法；2）偏振信息测量精度提升方法；3）散射环境下偏振成像系统搭建和仪器化研发；4）强散射环境下偏振成像的实验研究和应用研究。. 本项目取得了以下几方面的重要进展：1）提出了基于圆偏振信息的水下偏振成像方法、基于数字图像处理和偏振复原相结合的水下偏振成像方法、基于深度学习的水下偏振成像方法等一系列基于多维偏振信息实现散射介质中图像复原的新方法，有效克服了散射环境下的图像质量退化，实现成像清晰度和可视距离的显著提升；2）研发了水下偏振成像系统工程样机和偏振去雾成像系统工程样机，相关样机已通过海军某部、中电科集团、中船集团等多家单位的测试，获高度评价，其中水下偏振成像系统于2020年在渤海海域海试成功。. 基于上述结果，发表标注本项基金资助的相关 SCI 期刊论文 27篇（包括3 篇 Optics Letters，8 篇 Optics Express），EI论文4篇，授权国家发明专利10项。相关工作被美国光学学会遴选为News Releases和Image of the Week，并被Optics Express和英国物理学会遴选为编辑优选论文，且1篇论文入选“光学学报”优秀论文。项目负责人入选天津市首批“青年人才托举工程”、天津市创新人才推进计划“青年科技优秀人才”、天津市青年科技工作者协会优秀青年科技工作者。. 本项目研究有效实现散射环境下成像清晰度和可视距离的提升，解决散射环境下“看不清、看不远”的瓶颈问题，其成果不仅可应用于烟雾、沙尘、水下等环境中的军事探测，也可应用于雾霾天气交通监测、水下设备检测、水下救援、水下考古等民用领域，对于国防、海洋、交通、遥感等重大领域皆具有重要的应用价值。